礦用阻化劑阻化液阻化性能研究

礦用阻化劑阻化液阻化性能研究

全放開采是一項高產、高效的采礦機技術，但總采礦量增加，尤其是在采空區(qū)的“兩條”和“兩條”孔。因此，總采空區(qū)容易發(fā)生自燃。目前,我國煤礦采用的防滅火措施主要有惰化、阻燃、堵漏、降溫以及幾種方法的綜合等,在特定條件下,以上方法都起到了一定的效果,但由于采空區(qū)浮煤自燃在空間和時間上的不確定性,且綜放采煤工藝浮煤較厚和分布不均勻,以上方法都存在一定的不足,如:惰化氣體易隨漏風擴散,不易滯留在采空區(qū),且降溫效果差,成本高;漿體不能向高處堆積,對中、高煤體起不到防治作用,且漿體不能均勻覆蓋浮煤,容易形成“拉溝”現象等。為了克服以上方法的不足,本文作者提出向煤體預注阻化液的方法來防治采空區(qū)浮煤自燃。該方法利用煤層注水工藝將阻化液注入煤體,使其浸入煤的層理、節(jié)理、裂隙和孔隙中,當煤體被開采破壞散落后,其破碎煤體與外界空氣的接觸面上也會存在一層阻化液膜,從而在物理作用和化學作用下阻止煤與氧接觸,達到防止氧化自燃的目的。另外,這種方法采用高壓將阻化液注入煤體,阻化液侵入煤的層理、節(jié)理、裂隙和孔隙中,煤破碎后水分不容易散失和風干,與向空區(qū)內的浮煤噴灑或灌注阻化物相比較,阻化效率大大提高,阻化時間大大延長,從而更好地防治采空區(qū)浮煤自燃。1抗阻塞技術的分析1.1響應或影響小不同礦區(qū)的煤具有不同的組分、結構和變質程度,因此,不同的阻化劑對不同礦區(qū)的煤阻化效果不同,在選用阻化劑時應綜合考慮以下4個方面:(1)在水中有較高的溶解度;(2)能與煤內促進煤自燃的組分發(fā)生化學反應;(3)在對煤體阻化的同時能消除H2S和SO2氣體等;(4)對煤質無不利影響或影響極小。在現場應用中,礦用阻化劑主要有鹵鹽吸水液、銨鹽水溶液阻化劑、粉末狀阻化劑、氫氧化鈣阻化劑、防老劑A、硅凝膠、石膏漿、高聚物乳液、灌漿阻化、復合阻化劑、水溶性阻化劑等。通過對10余種阻化劑的研究和篩選,得出水玻璃,Ca(OH)2,Na2CO3,NaHCO3,CaCl2和MgCl2等阻化劑對新峪礦高硫煤的氧化有明顯的抑制作用。不同阻化劑對新峪礦高硫煤阻化效率的實驗結果見表1。由表1可知:水玻璃和Ca(OH)2的阻化率都很高,但水玻璃模數不易控制且水玻璃成本較高,同時,Ca(OH)2溶解度較小,且堿性強,有很強的腐蝕性,因此,不采用其作為現場應用的阻化劑。根據實驗分析得出Na2CO3作為阻化劑用于新峪礦高硫煤不僅有較高的阻化率,而且可以較好地消除H2S和SO2氣體,其反應方程式為:阻化劑Na2CO3在水中有較高的溶解度,來源廣泛,成本低,所以,本試驗選擇Na2CO3作為新峪礦高硫煤預注阻化液的阻化劑。1.2截止閥注液的配制阻化液制備工藝如圖1所示。首先,向水箱1中加入一定量的阻化劑;然后,打開供水管截止閥放入適量的水,將水箱中的溶液配制成所需的體積分數,當配制完水箱1中溶液后,將注液端的截止閥打開開始注液;在水箱1注阻化液的同時配制水箱2中的溶液,當水箱1中阻化液注完時即打開水箱2的截止閥注液,并配制水箱1中溶液。如此循環(huán)作業(yè),以保證注液系統能正常不間斷進行。1.3煤的阻燃機理由燃燒學和熱力學理論分析可得,預注阻化液抑制煤自燃機理主要表現在以下3個方面。(1)隔絕氧氣。根據化學反應中質量作用定律,在一定溫度下,化學反應速率與反應物體積分數成正比。當阻化液進入煤層后,初期阻化液會包裹、充填煤體,減少了煤層及采空區(qū)浮煤中的空隙;當水汽化后,在煤的空隙表面也能留下一層阻化液膜,從而隔絕氧氣,阻止煤的氧化。(2)吸熱降溫。阻化液中水汽化時會吸收大量的熱,從而抑制煤的自燃。水的耗熱量為其中:Q為總耗熱量,kJ;c1為水的定壓比熱容,kJ/(kg·K);m1為水升溫的質量,kg;t1和t2分別為水升溫前、后的溫度,K;m2為水汽化的質量,kg;c2為水的汽化熱,J/g。(3)負催化作用。Arrhenius提出了I型反應速率k與反應溫度T之間的關系式:式中:A為頻率因子,其單位與k的相同;E為反應活化能,J/mol;R為摩爾氣體常數,為8.3145J/(mol·K);T為反應熱力學溫度,K。由于阻化液中水分在升溫和汽化時會吸收大量的熱量,從式(4)可知水分吸熱時反應速率以指數關系降低;另外,Na2CO3與煤體表面及內部的活性物質相互吸引,使活化的基團恢復到穩(wěn)定狀態(tài),阻止反應活化能降低,即阻化液對煤自燃過程起負催化作用。2現場試驗2.1煤層采高、放放比及煤質特性選取山西焦煤汾西礦業(yè)集團公司新峪礦5112綜放工作面進行試驗。該工作面傾向長為160m,走向長為966m。煤層埋深為170m,平均厚度為7.18m,采高為2.5m,平均采放比為1:1.71。煤層具有自然發(fā)火傾向性,有過多次發(fā)火的經歷。煤質為富硫主焦煤,硫質量分數為2.8%。煤塵具有爆炸性,爆炸指數為21%。該礦為低瓦斯礦井,煤層瓦斯相對涌出量為0.28m3/t,瓦斯的主要成分為CH4,CO2和H2S。2.2工作面注液系統阻化液短孔注入技術即利用注液泵提供的動壓力在采煤工作面垂直煤壁或與煤壁斜交打鉆孔將阻化液以注水方式注入煤層中,試驗鉆孔分布如圖2所示。采用煤電鉆機打眼,鉆孔距底板1.7m,孔徑為42mm,孔間距為4m,斜孔長度為6m,傾角為30°,工作面注液孔總數為35個。為防止工作面兩端煤壁片幫,工作面2個端頭各留10m不打孔注阻化液。封孔采用橡膠快速封孔器封孔,如圖2所示。封孔器長為1m,封孔器深為1m,即封孔器外端距煤壁1m。為了不影響工作面正?；夭?采用圖3所示的注漿系統,把工作面的鉆孔分成3個組,每個BRW-200/31.5乳化液泵擔負3個組的注液:第1組從1～12號;第2組從13～23號;第3組從24～35號。用3部煤電鉆機打注液孔,1部煤電鉆機1個組,這樣,就能保證每個注液孔有40min的注液時間(其中含3～5min的準備時間),凈注液時間能保證在35min以上。2.3氣體估計溫度當工作面移架后,在綜放支架后部埋5個測點,5個點距進風側煤壁的距離(圖中傾向距離)分別為0,40,80,120和160m。抽氣束管用直徑為5.08cm鋼管保護,抽氣口預留在工作面前方180m處,對預注阻化液前后采空區(qū)中CO,CO2和CH4進行觀測。通過氣體估計溫度,基于MATLAB對觀測數據進行處理,得出預注阻化液前后采空區(qū)中CO,CO2,CH4和估計溫度的等值線分布如圖4～7所示(其中:傾向距離為距進風側煤壁的距離;走向距離為測點到工作面的距離;等值線中,氣體體積分數單位為10-6;溫度單位為℃)。3試驗結果的分析3.1co體積分數隨工作面距離的變化CO體積分數等值線分布如圖4所示。由圖4(a)可知:采空區(qū)進風側的CO體積分數高于回風側的體積分數,這說明采空區(qū)氧化區(qū)域位于采空區(qū)進風側,并且在進風側,從距離工作面36m處的采空區(qū)開始,CO的體積分數開始快速增加;當距離為80～120m時,CO的體積分數達到了較大值,這說明在進風側,從距離工作面36m的采空區(qū)開始,采空區(qū)開始具備氧化蓄熱環(huán)境,煤的氧化開始加速;但回風側CO體積分數很低,煤的氧化升溫很慢。由圖4(b)可以看出:當對煤層預注阻化液后,在距離工作面同樣距離的采空區(qū),CO體積分數大幅度降低,且在距離工作面0～54m范圍內,體積分數明顯降低,但整體變化趨勢和預注阻化液前一致。由圖4可見:預注阻化液前后,CO高體積分數區(qū)域推后了40m左右。3.2co體積分數區(qū)域在煤氧化的過程中,CO2體積分數隨著CO體積分數的增大而增大。從圖5(a)可見:預注阻化液前,在進風側0～34m的采空區(qū)內,CO2體積分數的變化不大,80～120m的范圍內為高CO2體積分數區(qū)域,并且進風側CO2體積分數高于回風側體積分數。從圖5(b)可以看出:預注阻化液后,距離工作面同樣距離的采空區(qū),CO2體積分數有大幅度降低,并且在0～62m范圍內,CO2體積分數較低,但等值線較密集。這是因為煤層預注阻化液使煤開采時更容易破碎,對于破碎的煤,距離工作面不同,其壓實程度也不同,則其CO2的體積分數也不一樣。對比圖4和圖5可以得出:在此工作面的采空區(qū),CO體積分數較低,而CO2的體積分數較高。這是因為此階段的采空區(qū)浮煤氧化還處在富氧氧化階段,其氧化中心的溫度還不是太高,氧化過程中生成的CO2體積分數高于CO的體積分數。3.3距離工作面距離ch4體積分數CH4體積分數等值線分布見圖6。從圖6可以看出:在預注阻化液前后,CH4體積分數變化較小,但整體來看,預注阻化液后,在距離工作面0～40m以內的采空區(qū),CH4體積分數有所降低。這是因為預注阻化液對煤起到了濕潤作用,阻化液附著在煤表面和充填在裂隙內,從而阻止了煤中瓦斯的解析。但在距離工作面40～120m之間的采空區(qū),CH4體積分數卻比預注阻化液前要大。這是因為此區(qū)域阻化液中的水分多數已被蒸發(fā),煤中的瓦斯開始解析,但此區(qū)域采空區(qū)壓實程度較好,解析的瓦斯難以被漏風帶出。3.4預注阻化液對煤的處理效果溫度等值線如圖7所示。從圖7可以看出:在預注阻化液前后,高溫區(qū)域都在進風側,在預注阻化液前,距離工作面70m處的采空區(qū),溫度達35℃;當預注阻化液后,距離工作面112m的采空區(qū),其溫度才達35℃,因此,預注阻化液對抑制采空區(qū)浮煤氧化自燃效果很好。從圖7(b)可以看出:在0～40m內的采空區(qū)內,其溫度都低于27℃,這是預注阻化液中水分蒸發(fā)的結果。水汽化吸熱,將煤氧化產生的部分熱量及時地傳導出去,從而使此區(qū)域的溫度較低。預注阻化液后,其溫度等值線比較密集。這是因為預注阻化液后煤體更容易破碎,這使得采空區(qū)更容易被壓實,從而使得等值線變化較密集。3.5預注阻化液前后,co較高體積分數區(qū)域采空區(qū)深部當采空區(qū)煤自燃時,一般表現是CO體積分數和溫度增高。從以上分析可知:高CO體積分數區(qū)和高溫區(qū)均在進風側的采空區(qū),說明該采空區(qū)進風側浮煤氧化比回風側要快;預注阻化液前,進風側CO在距離工作面68m處達到較高體積分數11×10-6;預注阻化液后,此距離為108m。這說明預注阻化液前后,CO較高體積分數區(qū)域向采空區(qū)深部推后了40m;同樣,在預注阻化液前,進風側采空區(qū)在距離工作面70m處,其溫度就達35℃,而當預注阻化液后,該距離為112m,推后了42m,從而判斷出:當預注阻化液后,自燃氧化區(qū)域向采空區(qū)深部推進了41m左右,按照正常采煤進度3.6m/d,預注阻化液后,使得煤的氧化進程推后了11d左右,從而大大降低了該工作面采空區(qū)自然發(fā)火的危險性。4預注阻化液工藝在工作面采空區(qū)的壓(1)Na2CO3阻化液可以從隔絕氧氣、吸熱降溫和負催化作用3個方面抑制煤的自燃。(2)結合試驗工作面,對阻化液的制備工藝、預注阻化液鉆孔